Fermilab: Yhdysvaltain johtava hiukkasfysiikan laboratorio lähellä Chicagoa
Fermilab — Yhdysvaltain johtava hiukkasfysiikan laboratorio lähellä Chicagoa. Tutustu Tevatronin perintöön, neutriinokokeisiin ja huippututkimukseen kansainvälisellä tasolla.
Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) sijaitsee Batavian ulkopuolella Illinoisin osavaltiossa lähellä Chicagoa. Se on Yhdysvaltain energiaministeriön kansallinen laboratorio, joka on erikoistunut suurienergisten hiukkasten fysiikkaan. Laboratorio perustettiin 1960-luvulla alkujaan nimellä National Accelerator Laboratory, ja se nimettiin myöhemmin kuuluisan fyysikon Enrico Fermin mukaan. Tammikuun 1. päivästä 2007 lähtien Fermilabia on ylläpitänyt Fermi Research Alliance, joka on Chicagon yliopiston, Illinois Institute of Technologyn ja Universities Research Associationin (URA) yhteisyritys. Fermilab on osa Illinoisin teknologia- ja tutkimuskäytävää ja toimii yhtenä Yhdysvaltain johtavista hiukkasfysiikan keskuksista.
Historia ja infrastruktuuri
Fermilabin suunnittelu ja rakentaminen käynnistettiin 1960-luvulla, ja sen ensimmäinen pitkäaikainen johtaja oli insinööri-fyysikko Robert R. Wilson, jonka vaikutus näkyy myös laboratorion tunnusomaisessa arkkitehtuurissa (mm. Wilson Hall). Fermilabin laaja maa-alue on hyödynnetty sekä laboratorio- että ympäristötarkoituksiin: paljon kiihdyttimiä, tutkimustiloja ja osa laitteistoista on sijoitettu maan alle säteily- ja turvallisuussyistä.
Kiihdyttimet ja merkittäviä saavutuksia
Fermilabin tunnetuin kiihdytin oli Tevatron, joka oli ennen sulkemistaan yksi maailman suurimmista ja tehokkaimmista hadronien törmäyttimistä. Tevatronin myötä laboratorio saavutti maailmanluokan löytöjä; muun muassa vuoden 1995 ilmoitus huippukvarkin (top-quark) löydöstä tehtiin Tevatronin CDF- ja DØ-yhteisöjen toimesta. Tevatronin loppu vuonna 2011 siirsi Fermilabin painopistettä Tevatronin perintöä hyödyntävään tutkintaan ja uuden sukupolven projekteihin.
Fermilabin kiihdytinlaitteisto käsittää useita tasoja: lineaarikiihdytin (linac), Booster, Main Injector ja muita säteitä tuottavia järjestelmiä, joiden yhdistelmällä luodaan sekä protonipohjaisia että neutriinosäteitä ja tuetaan monipuolisia kokeita. Laboratorio on myös merkittävä hiukkasilmaisintekniikan, suprajohtavien magnettien ja säteilylähteiden kehittäjä.
Neutriinotutkimus ja nykyiset ohjelmat
Suurenergisen törmäysfysiikan ohella Fermilab on maailman johtava neutriinotutkimuksen keskus. Laboratorion neutriinoprojekteihin kuuluvat useita suurempia ja pienempiä kokeita kuten MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) ja MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). MiniBooNE-ilmaisin on halkaisijaltaan 12 metrin (40 jalkaa) pallo, joka sisältää 800 tonnia mineraaliöljyä, ja se on vuorattu 1520 yksittäisellä fotoputki-ilmaisimella. Vuosittain rekisteröidään arviolta miljoona neutriinotapahtumaa. SciBooNE sijoittuu samaan neutriinosäteeseen kuin MiniBooNE ja tarjoaa hienojakoista seurantaosaamista. MINOS-kokeessa käytetään Fermilabin NuMI-sädettä (Neutrinos at the Main Injector), joka kulkee noin 732 kilometrin (455 mailin) matkan Maan läpi Minnesotassa sijaitsevaan Soudanin kaivokseen.
Viime vuosina Fermilab on keskittänyt voimavarojaan myös pitkä kantamaan projekteihin, kuten Long-Baseline Neutrino Facilityyn (LBNF) ja Deep Underground Neutrino Experimenti n (DUNE) yhteistyöhön, joiden tavoitteena on tutkia muun muassa neutriino-oscillaatiota, massajärjestystä ja CP-vajetta neutriinosektorissa. Lisäksi Fermilab on isännöinyt ja kehittänyt lyhyen kantaman (short-baseline) liki ajan kokeita, kuten MicroBooNE, SBND ja ICARUS, jotka hyödyntävät nestetypen (argon) aikaansaamia kolmiulotteisia ilmaisimia (TPC).
Tieteellinen yhteistyö ja teknologia
Fermilab tekee laajasti kansainvälistä yhteistyötä: sen tutkijat ja insinöörit osallistuvat muun muassa CERNin LHC‑kokeisiin (ATLAS ja CMS) sekä moniin muihin kansainvälisiin kokeisiin. Laboratoriossa tehdään myös merkittävää työtä ilmaisintekniikan, laskennan, suurten datamassojen käsittelyn ja suprajohtavien järjestelmien kehittämisessä.
Luonto, yhteisö ja julkinen toiminta
Fermilabille varattiin suuri maa-alue, ja laboratorio on yhdistänyt korkean teknologian tutkimuksen paikalliseen ympäristönhoitoon. Suuri osa laitteista on maan alla, mutta maan pinnalla on toteutettu laajoja luonnon elvytys- ja suojeluohjelmia: Fermilabin tutkijat ja vapaaehtoiset ovat osallistuneet Illinoisin alkuperäisen preerian palauttamiseen ja ylläpitoon. He ovat myös perustaneet maatilan kasvattaakseen amerikkalaisbiisonilaumaa, joka on osa maiseman ja perinteen vaalimista. Fermilab Nature Areas on erillinen voittoa tavoittelematon ryhmä, joka hallinnoi näitä ohjelmia ja tarjoaa luonnon tutkiskeluun, opetukseen ja virkistykseen liittyvää toimintaa.
Laboratorio tarjoaa laajasti yleisöohjelmia: opastettuja kierroksia, näyttelyitä, koulutusohjelmia ja luentoja eri yleisöille. Fermilab toimii myös alueellisena resurssina tieteelliselle koulutukselle ja yritysyhteistyölle.
Asteroidi 11998 Fermilab on nimetty laboratorion kunniaksi, mikä kuvastaa Fermilabin merkitystä sekä kansallisella että kansainvälisellä tiedekentällä.
Satelliittinäkymä Fermilabista. Kaksi pyöreää rakennetta ovat Main Injector Ring (pieni) ja Tevatron (iso).
Historia
Toisen maailmansodan ja 1960-luvun välisenä aikana liittovaltion hallitus rahoitti kilpailevien yliopistojen erilaisia hiukkaskiihdyttimiä, joilla rakennettiin korkean energian fysiikan kokeita. Merkittävimpiä olivat Stanfordin lineaarikiihdytin (SLAC), joka lähetti hiukkasia suorassa linjassa, Brookhavenin kansallinen laboratorio SUNY Stoney Brookissa ja Cornellin yliopiston synkrotroni, joka lähetti hiukkasia ympyrän ympäri, jotta samat magneetit voisivat vaikuttaa hiukkasiin monta kertaa. 1960-luvulle tultaessa isompien atomimurskainten rakentamiskustannukset olivat liian korkeat rahoittaakseen jokaista yksittäistä kampusta, ja seuraavan ympyränmuotoisen kiihdyttimen rengaskoko olisi liian suuri, jotta se mahtuisi olemassa olevalle yliopistokampukselle. Niinpä liittovaltion hallitus päätti perustaa uuden laitoksen, jota useiden yliopistojen fyysikot pyörittäisivät. Paikan valinnasta järjestettiin kilpailu, mutta poliitikot taistelivat sen puolesta, että se sijaitsisi Illinoisissa.
Weston, Illinois oli Batavian vieressä sijaitseva yhteisö. Se oli 1960-luvun alussa aloitettu esivalmistettujen talojen osa-alue. Myynti oli hyvin hidasta, joten kaavoittajat yrittivät houkutella Fermilabia uudeksi työnantajaksi uuden kaupungin laidalle. Kävi kuitenkin ilmi, että tarvittava maa-alueen määrä nielaisi koko kaupungin. Niinpä kaupunki äänesti koko maan myymisestä, mukaan lukien rakennetut talot, Fermilabille. Sen jälkeen kaupunki hajosi.
Laboratorio perustettiin vuonna 1967 nimellä National Accelerator Laboratory, ja se nimettiin uudelleen Enrico Fermin kunniaksi vuonna 1974. Laboratorion ensimmäinen johtaja oli Robert Rathbun Wilson. Wilson teki monet kampuksen veistoksista. Hänen katsotaan olleen vastuussa siitä, että se valmistui etuajassa ja alle budjetin. Hänen kunniakseen on nimetty paikalla sijaitseva korkea laboratoriorakennus, jonka ainutlaatuisesta muodosta on tullut Fermilabin symboli, ja se on kampuksen toiminnan keskus.
Ennen kuin uudet rakennukset saatiin valmiiksi, tutkijat muuttivat Westonin taloihin ja siirsivät myös kaikki Fermilabin maatilojen talot sinne toimistotiloiksi. He nimesivät Westonin uudelleen "Fermilab-kyläksi". Siellä asuu edelleen vierailevia tiedemiehiä.
Wilson otti mukaan Cornellin synkrotronin rakentaneen ryhmän auttamaan alkuperäisen 200 GeV:n kiihdyttimen rakentamisessa. Kaksi tärkeää keksintöä tekivät kiihdyttimen tarpeettomaksi: suprajohtavat magneetit ja saman kiihdytinrenkaan käyttäminen kahden hiukkasryhmän lähettämiseen vastakkaisiin suuntiin, jotta törmätessä niillä olisi kaksinkertainen energia.
Kun Wilson luopui tehtävästään vuonna 1978 vastalauseena laboratorion rahoituksen puutteelle, Leon M. Lederman otti tehtävän vastaan. Hänen johdollaan alkuperäinen kiihdytin korvattiin Tevatron-kiihdyttimellä. Uusi kiihdytin pystyi törmäyttämään protonin ja antiprotonin yhteen 1,96 TeV:n kokonaisenergialla. Lederman jätti tehtävänsä vuonna 1988 ja on edelleen emeritusjohtaja. Paikan päällä sijaitseva luonnontieteiden opetuskeskus (joka palvelee opiskelijoita ja suurta yleisöä) nimettiin hänen kunniakseen.
Vuosina 1988-1998 laboratoriota johti John Peoples. Siitä lähtien 30. kesäkuuta 2005 asti laboratoriota johti Michael S. Witherell. Marraskuun 19. päivänä 2004 Fermilabin uudeksi johtajaksi ilmoitettiin Piermaria Oddone, joka työskenteli aiemmin Lawrence Berkeleyn kansallisessa laboratoriossa Kaliforniassa. Oddone aloitti johtajana 1. heinäkuuta 2005.
Fermilab osallistuu edelleen LHC:n työhön ja toimii muun muassa Tier 1 -paikkana maailmanlaajuisessa LHC-laskentaverkossa. Illinoisin osavaltio rahoittaa uutta Illinois Accelerator Research Center -rakennusta Fermilabissa tutkijoille ja teollisuuskumppaneille.
Robert Rathbun Wilson Hall
Kiihdyttimet
Kiihdytysprosessin ensimmäinen vaihe tapahtuu Cockcroft-Waltonin generaattorissa. Siinä otetaan vetykaasua ja muutetaan se H-ioneiksi syöttämällä se säiliöön, joka on vuorattu molybdeenielektrodeilla: tulitikkuaskin kokoisella, soikealla katodilla ja sitä ympäröivällä anodilla, jotka on erotettu toisistaan 1 mm:n etäisyydellä ja joita pitävät paikoillaan lasikeraamiset eristeet. Magnetronia käytetään plasman tuottamiseen H-:n muodostamiseksi metallipinnan lähellä. Cockcroft-Walton-generaattorilla kytketään 750 keV:n sähköstaattinen kenttä, ja ionit kiihdytetään ulos säiliöstä. Seuraava vaihe on lineaarikiihdytin (tai linac), joka kiihdyttää hiukkaset 400 MeV:iin eli noin 70 prosenttiin valonnopeudesta. Juuri ennen siirtymistään seuraavaan kiihdyttimeen H-ionit kulkevat hiilikalvon läpi ja muuttuvat H+-ioneiksi (protoneiksi).
Seuraava vaihe on tehostinrengas. Tehostinrengas on 468 metrin pituinen ympyränmuotoinen kiihdytin, joka taivuttaa magneettien avulla protonisäteitä ympyränmuotoiselle radalle. Linacista tulevat protonit kiertävät boosterin noin 20 000 kertaa 33 millisekunnissa, joten ne kohtaavat toistuvasti sähkökenttiä. Jokaisella kierroksella protonit keräävät lisää energiaa ja lähtevät Boosterista 8 GeV:n teholla. Main Injector on kiihdytinketjun seuraava lenkki. Se valmistui vuonna 1999, ja siitä on tullut Fermilabin "hiukkaskytkinasema", jolla on kolme tehtävää: se kiihdyttää protoneja, se toimittaa protoneja antiprotonituotantoa varten ja se kiihdyttää antiprotonilähteestä tulevia antiprotoneita. Viimeinen kiihdytin oli Tevatron. Se oli maailman toiseksi tehokkain hiukkaskiihdytin (CERNin Large Hadron Collider on tehokkain). Lähes valonnopeudella kulkevat protonit ja antiprotonit kiertävät Tevatronia vastakkaisiin suuntiin. Fyysikot koordinoivat säteet niin, että ne törmäävät Tevatronin tunnelin sisällä sijaitsevien kahden 5 000 tonnin detektorin DØ ja CDF keskipisteissä 1,96 TeV:n energioilla, jolloin saadaan selville maailmankaikkeuden alkuvaiheen aineen olosuhteet ja rakenne pienimmässä mittakaavassa. Tevatronista ollaan tekemässä museota.
Lineaarikiihdyttimessä on myös lääketieteellinen hoitolaitos. Lääkärit hoitavat syöpää sairastavia ihmisiä ampumalla kiihdyttimestä protoneita tai neutroneita heidän kasvaimiinsa.
Fermilabin kiihdytinrenkaat
Kokeet
- Holometri-interferometri
- Tevatronin protoni-antiprotonitörmäytin: DØ ja törmäysilmaisin Fermilabissa
- MiniBooNE: Mini Booster Neutrino Experiment (Mini Booster Neutrino Experiment)
- Sciboone: SciBar Booster -neutriinokoe
- MINOS: pääinjektorin neutriino-oskillaation etsintä (Main Injector Neutrino Oscillation Search)
- MINERνA: Pääinjektorikokeilu, jossa νs on As:lla.
- NOνA: NuMI Off-axis νe Ilmeneminen
- MIPP: Pääsuuttimen hiukkastuotanto
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on Fermi National Accelerator Laboratory?
V: Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) on Yhdysvaltain energiaministeriön kansallinen laboratorio, joka on erikoistunut suurienergiseen hiukkasfysiikkaan.
K: Kuka ylläpitää Fermilabia?
V: Tammikuun 1. päivästä 2007 lähtien Fermilabia ylläpitää Fermi Research Alliance, joka on Chicagon yliopiston, Illinois Institute of Technologyn ja Universities Research Associationin (URA) yhteisyritys.
K: Mihin Tevatron-hiukkaskiihdytintä käytettiin?
V: Tevatron-hiukkaskiihdytintä käytettiin huippukvarkin löytämiseen ja suurienergisten törmäysfysiikan kokeiden tekemiseen.
K: Millaisia muita kokeita Fermilabissa tehdään?
V: Suurenergisen törmäysfysiikan lisäksi Fermilabissa tehdään myös pienempiä kiintokohde- ja neutriinokokeita, kuten MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) ja MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search).
Kysymys: Kuinka suuri MiniBooNE-ilmaisin on?
V: MiniBooNE-ilmaisin on halkaisijaltaan 12 metrin (40 jalkaa) pallo, joka sisältää 800 tonnia mineraaliöljyä, joka on vuorattu 1520 yksittäisellä fotoputki-ilmaisimella.
K: Kuinka kauas NuMI-säde kulkee Fermilabista?
V: NuMI-säde kulkee Fermilabista 732 kilometrin (455 mailin) matkan Minnesotassa sijaitsevaan Soudanin kaivokseen.
K: Mitä ohjelmia Fermilab on aloittanut maan pinnalla?
V: Fermilab on aloittanut maan pinnalla kokeilun Illinoisin alkuperäisen preerian palauttamiseksi sekä maatilan, jolla kasvatetaan amerikkalaisbiisonilaumaa.
Etsiä